TW200416382A - Transducer and electronic device - Google Patents

Description

200416382 玖、發明說明·· 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一機電式轉換器，以用於轉換一電氣輸入 “號成為一電氣輸出信號，該轉換器包含一基質；一附著 於基質之導電共振元件，該共振元件沿一縱向延伸並具有 長度1 ; 一導電致動器，該致動器能夠接收一相對於共振元 件之電氣致動電位差，以用於彈性變形共振元件，該致動 電位差是輸入信號之函數，該彈性形變包含長度之變化di ’共振元种是一能夠提供輸出信號之電路之一部份，且該 輸出信號是一長度1之變化dl之函數。 本發明進一步係關於一電子裝置，該電子裝置包含一信 唬處理器，該處理器運作於一時脈信號；與一根據本發明之 轉換器，…以用於提供該時脈信號。 【先前技術】 T· Mattila等人所著之論文

-χν,αι UU1K ae_tk mode oscillator"揭示一機電式轉換器，且此論文刊登於

Sensors and Actuators A，volume 101，第 1-9 頁，2002。 此種轉換器能夠轉換一電氣輸入信號成為一電氣輸出俨 號。其包含一共振元件，且該共振元件是一桿，該桿沿二 縱向延伸並具有微米尺寸之長度丨。該桿連接至基質央 部份，且，除了此中央部份以外，可相對 ]万、*貝自由移動 ’㈣其可沿，，縱向受到變形。該桿偏離 位置之運動受到-彈力之抵制。此彈力與共振元件之二 決定共振元件之特徵頻率。 貝里 89521 200416382 已知之轉換器包含一導電致動器，以用於造成共振元件 之彈性形變。致動器具有二電極，且該二電極具有沿縱向 在其之外端面對該桿之表面。致動器可具備一相對於共振 元件之電氣致動電位差，且該致動電位差是輸入信號之函 數。在已知之轉換器中，致動電位差包含一交流分量與— 直流分量’且該交流分量是輸入信號。 電極之表面與共振元件之外端構成一電容器。當施加一 致動電位差時’他們因此施加一靜電力於彼此，以造成桿 之彈性形變。此彈性形變包含長度1之變化dl。由於此彈性 形k: ’構成電容器之二電極與桿之外端之間的距離，常稱 為間隙g’會變化，且額外之電荷會感應於桿之外端。 、 百ρ τ刀 7 六丁你Y< 电词-雙至 測量以產生一電·廣弘u 、 出信號，且該輸出信號是長度1之變 dl之函數。感鹿雷；^、 ^〜 <數量與因此輸出信號之振幅決定岁

間隙g之大小，且田L ^此決定於桿之形變：間隙愈小，信费 愈大。因此，輸出户) °就可用於以電容方式來測量長度1之_ 化cU。 夕 一迥翊性改邊電氣致動電位差導致桿之週期性形變。當電 氣致動電位差是以— ~頰率來改變時，其中該頻率實質上匹 配於桿之特徵頻率， 、 則會使得桿進入機械性共振，且此導 致一相當大之形變盥 、 、 〃〜璧i應之大輸出信號。 已知轉換器之一缺抑 雙；是輸出信號相當小。 【發明内容】 本發明之一目护设上 #疋k供一轉換器，且該轉換器能夠提供 89521 200416382 一相當大之輸出信號。 本發明是由獨立之申請專利範圍來定義。該等獨立之申 請專利範圍定義優越之實例。 根據本發明此目標可獲達成，因為共振元件構成一具有 歐姆電阻R之電阻器，電阻R是長度1之變化dl之函數，且輸 出信號是電阻R之函數。 根據本發明之轉換器具有一電路，該電路包含一共振元 件，且該共振元件構成一電阻器。電阻器具有電阻R，且該 電阻是彈性形變dl之函數。其可包含，例如，任何類型之壓 電電阻材料=此電路能夠提供一輸出信號，其中該輸出信 號是電阻R且因此長度1之變化dl之函數。輸出信號可藉由， 例如，測量電阻R來獲得。電阻R可藉由在本技藝領域為眾 所知之各種技術來測量。在一實例中，電阻器之電壓降V 是藉由監測一量測區與一參考區之間之電氣電位差來測 量，且該量測區電氣連接至該電路。只要他們之相互電氣 電位差至少部份是由電阻器之電壓降來決定，則量測區與 參考區之位置並不重要。在另一實例中，此電路具備一恆 定電壓，且通過電阻器之電流I受到測量。 在根據本發明之轉換器中，類似於已知之轉換器，共振 元件可藉由以電容方式耦接其至致動器來受到變形。相對 於已知之轉換器，根據本發明之轉換器使用壓電電阻效應 來測量形變。此電容性激發-電阻檢測方法較已知之電容性 激發-電容檢測方法更為敏感，尤其是對於具有相當高特徵 頻率之轉換器。下列可獲證實：如果二轉換器具有相同尺寸 89521 200416382 ，且皆具備相同於已知轉換器之致 、 、双動兒位差，則根據本發 明之轉換态之輸出信號大於已知、 得換态义輸出信號超過 100 倍。 當設計具有更高特徵頻率之鏟换_ 土 Λ、手 < 轉換咨時，共振元件必須更 小與更硬。在此種情形之下，因 一 、 u為u知轉換器之輸出信號 與共振元件之寬度及高度成緩性 风、襄生正比，所以輸出信號變得 較小。相對於此，只要Jt据分杜、 、 晋/、振π件<形狀，亦即長度及厚度 (比值與長度及寬度之比值受到維持，則歐姆電阻術R之 相對Γ卜且因此根據本發明之轉換器之輸出信號無關於 共振咨尺寸。根據本發明之媸 私/J <轉換态又此特點形成一重要之 額外優點，因為其允許製造一 一 r月匕夠提供相當大信號之相當 高頻率轉換器。 根據本發明之轉換哭推 吳如進一步具有下列優點：輸出信號 較不決定於間隙g之大小，並、 4 /、甲已知轉換咨 < 輸出信號與 1 / g成正比，而根據太私日日 發月 < 轉換器之輸出信號與1/g2成正 比。因此，在根據本發明哭 故ΛΙ <轉挺态中通常可使用較大之 隙。 尤U疋·本發明未受限於桿狀共振元件，而下文將藉 由範例對此加以討論。共振元件也不一定要連接至基質Z 中央部份。根據本發明之兹叩、 ， 义轉換备 < 共振兀件的要求只是··其 沿一縱向延伸並且吉真命1 α /、百長度1，彈性形變包含長度1之變化dl， 與共振元件是一雷路> 、 又一邵份，其中該電路構成一具有歐 姆電阻R之電阻哭，3兮 口口 且4电阻是長度1之變化dl之數。 本發明運用下列洞臾. J τ、·〶共振元件沿一縱向延伸並具有 89521 200416382 長度1時，且當彈性形變包含長度之變化時，其中歐姆電阻r 疋長度1之變化dl之函數，則電阻式檢測方法之輸出信號特 別大。在此種情形之下，彈性形變包含共振元件之主體模 式。歐姆電阻在第一階是長度之變化，且因此彈性形變， (線性函數。這導致相當大之輸出信號。 相對於此，運作於所謂伸縮模式之共振元件之輸出信號 相當小。在此種情形之下，共振元件可在，例如，一外端 連接至基質，且另一外端是自由的。當此種共振元件受到 彎曲時，共振器之長度在第一階未受到改變，且因此信號 相當小。此外，共振元件可在二點，例如，其之二外端， 連接至基質。在此種情形之下，長度未隨著彈性形變而改 變，但是橫向延長x未線性正比於靜電力F。吾人可以證實： 力F與橫向延長X之關係是F =ki.x + krx3，其中匕表示^貝， 其中類比於單端連接之桿該彎曲未貢獻於歐姆電阻之變化 ，且k3表示長度之變化’其中長度之變化㈣改變共振元件 之電阻。這顯示下列事實：—運作於伸縮模式之雙端連接之 =振元件’在電阻式檢測方法中，可只在非線性區域受到 讀取，亦即輸出信號與χ3成正比。由於非線性運作，輸出信 號相當小，且能量損耗相當高，而導致相當小之q因數。q 因數是重要參數，因為其決定共振元件之特徵頻率受到多 麼艮好之定義：Q因數愈大’亦即能量損耗愈低，則特徵頻 義愈好。其也決《期性形變之振幅：q因數愈大， 形交恩大。因此，相當大之Q因數在—定義相當良好之頻率 產生相當大之輸出信號。 89521 200416382 根據 D· Lange 等人所著之論文” CMOS chemical micwsensoa based on resonant cantilever beams"，吾人得知可運用壓電 電阻效應來測量由於化學感測器之懸桁之彎曲所造成的形 變’且前述論文刊登於 Proceedings of the SPIE conference on smart electronics and MEMS，vpl· 3328，第 233-243 頁， 1 998。化學感測器之懸桁受到彎曲以導致一彈性形變，亦 即該彈性形變包含一伸縮模式。在第一階懸桁之長度在彎 曲期間未受到改變，而導致電阻率之相當小變化與一對應 之相當小信號。 在轉換器之一實例中，共振元件是由第一部份與第二部 份所組成，其中第一部份在縱向具有第一長度，且第二部 份在縱向具有第二長度，彈性形變包含第一長度之變化與 第一長度I變化，且第一長度之變化受到第一彈力之抵制 ，而第二長度之變化受到第二彈力之抵制，第一彈力與第 二彈力在共振元件之無形變部份中實質上彼此抵消，共振 儿件在一支撐區連接至基質，且該支撐區包含於無形變 份。 、在此種轉換备中，自共振元件經由支撐區流入基質之機 找此里之數里，亦即能量損耗，相當低，因為共振元件在 支払區連接至基質，且支撐區實質上沒有形變。因此，此 轉換器具有相當大之Q因數，與對應地具有一定義相當良好 頻率之相當大輸出信號。 ^果共振元件相對於一垂直於縱向之虛擬平面是實質 ’竞射對稱，且包含於無形變部份，則此通常是有利的j 89521 200416382 在此種情形之下，可使用一鏡射對 」獅致動器來造變 ，以致第一彈力與第二彈力在益形尚为 ^ 形笑邵份中實質上彼此柢 >肖0 如果共振元件在一垂直於縱 其中長度大於寬度，則這也是 在一垂直於縱向與寬度方向之 長度大於高度，則這更有利。 大’則共振元件之特徵模式受 尺寸維持不變時，第一長度與 當容易激發k於此特徵模式之 其他特徵模式，其中該等其他 他參數之變動。 向<寬度方向具有一寬度， $利的。如果第一共振元件 高度方向具有一高度，其中 相對於寬度與高度，長度愈 到更佳之定義，其中當其他 第二長度可變化。接著可相 共振元件，且無需同時激發 特徵模式涉及共振元件之其 在前述之實例之一變型中，支撐區包含第一共振器接胃 與第二共振器接點，其中第二共振器接點經由一導電路= 電氣連接至第一共振器接點，該導電路徑包含於共振元铋 ，且該導電路徑包含位於無形變部份以外之一點。 在此種轉換器中，構成電阻器之共振元件可以便利方/ X到接觸，因為其接著不一定要在無形變部份以外之一= 中電氣接觸共振元件以獲得一電阻，且該電阻是長度之2 化之函數。這產生相當簡單之轉換器。 又 如果共振元件在縱向具有一外端，且該點位於該外端 則這特別有利。在此種轉換器中，導電路徑在縱向具有一 分量，且該分量分別實質上等於或甚至大於第—長度或第 二長度。因此，第一長度或第二長度之變化分別導致I: 89521 11 200416382 路徑之長度之相當大變化，且因此導致一相當大信號。如 果共振元件在縱向具有一更外端，且導電路徑包含該點與 位於更外端之另一點，依此順序，則這是有利的。在此轉 換器中，第一長度與第二長度之變化導致導電路徑之長度 之更大變化，且因此導致一更大信號。 在一實例中，共振元件包含具有第一電導率之第一材料 與具有第二電導率之第二材料，其中第一材料構成導電路 徑，第二電導率小於第一電導率，且自第一共振器接點至 第二共振器接點之未通過該點之每一路徑皆包含第二材 料。 共振元件之電阻是起因於連接第一共振器接點至第二共 振器接點之所有路徑。一特定路徑相對於所有其他路徑電 阻之電阻決定此特定路徑對於總電阻之貢獻有多大：一具 有相當小電阻之路徑對於總電阻具有相當大程度之貢獻， 然而一具有相當大電阻之路徑對於總電阻具有相當小程度 之貢獻。藉由使用具有相當低電導率之第二材料，未包含 該點之該等路徑之電阻受到增加，因而對於總電阻導致相 當小之貢獻。未包含該點之該等路徑尤其包含完全涵蓋於 無形變部份之該等路徑，且因此未導致一電阻，其中該電 阻是形變之函數。藉由使用第二材料，後面那些路徑之貢 獻受到降低，且轉換器之靈敏度受到增加。 第二材料之電導率愈低，則未包含無形變部份以外之該 點之該等路徑的貢獻愈小。因此如果第二材料包含一電介 質材料，則這特別有利。最好，第二材料包含一電介質材 -12- 89521 200416382 料，例如二氧化矽或用於半導體裝置製造之任何其他電介 質。此外，第二材料可包含一氣態材料或真空。此種材料 具有良好之隔絕特性，且很容易包含於共振元件。 第一材料可包含任何材料，只要該材料之電導率決定於 其之形變。其可包含所有類型之金屬，例如銅，鋁或鎢。 矽與其他半導體材料可獲得較佳之結果，因為該等材料之 電阻率會依照長度變化之一函數相當強烈地變化。 在另一實例中，共振元件包含於一惠斯登（Wheatstone)類 型電路。此電路經由第一連結與第二連結來電氣連接第一 接觸區至第二接觸區，其中第二連結是配置成為平行於第 一連結，第一連結包含串聯於第二電阻器之共振元件，第 二連結包含串聯於第四電阻器之第三電阻器，共振元件與 第二電阻器是藉由第一電氣連結器來連接，第一電氣連接 器包含量測區，且第三電阻器與第四電阻器是藉由第二電 氣連接器來連接，第二電氣連接器包含參考區。 此種電氣裝置類似於惠斯登電橋，其中四電阻器之一電 阻器包含共振元件。其允許以靈敏方式測量共振元件之電 壓降。最好，該四電阻器之電阻是類似的，因為接著輸出 信號包含一相當小之直流分量與一相當大之交流分量，且 該交流分量直接測量形變。理想上，當電氣致動電位差之 交流分量是零時，該四電阻實質上是相同的。 下列情形是有利的：如果惠斯登類型電路包含第一接觸 區與第二接觸區，第一接觸區經由第一連結與第二連結來 電氣連接至第二接觸區，其中第二連結是配置成為平行於 89521 200416382 第一連結，第一連結包含_聯於第二共振元件之共振元件 ，第二連結包含串聯於第四共振元件之第三共振元件，該 共振元件與第二共振元件是藉由第一電氣連結器來連接， 第一電氣連接器包含量測區，且第三共振元件與第四共振 元件是藉由第二電氣連接器來連接，第二電氣連接器包含 參考區，其中第二共振元件，第三共振元件與第四共振元 件皆實質上相同於該共振元件。 在此實例中，第二電阻器包含第二共振元件，第三電阻 器包含第三共振元件，且第四電阻器包含第四共振元件， 其中該共振元件，第二共振元件，第三共振元件與第四共 振元件實質上是相同的。 轉換器之輸出信號可經歷該四電阻器之任一電阻器由於 ，例如，溫度波動所導致之電阻漂移。當所有四電阻器皆 包含實質上相同之共振元件時，每一電阻器之此部份是以 類似方式受到該波動之改變，且因此輸出信號之波動相當 小。最好，四電阻器皆包含實質上相同之共振元件，因為 接著他們將具有實質上相同之電阻，且該等電阻實質上以 相同方式來波動。信號差接著將實質上無關於前所提及之 波動。 在一實例中，共振元件位於第一接觸區與第二共振元件 之間，第三共振元件位於第二接觸區與第四共振元件之間 ，且第二導電致動器存在以用於彈形變形第三共振元件。 第二致動器能夠接收相對於第三共振元件之第二電氣致動 電位差。因此，類似於前述之共振元件與致動器之間之耦 -14- 89521 200416382 接，第二致動器可以電容方式耦接至第三共振器。 在此實例中，當第二電氣致動電位差與電氣致動電位差 具有相同之交流分量時，輸出信號受到增加。共振元件與 第三共振元件之形變接著具有相同相位。共振元件之形變 調變量測區之電位，然而第三共振元件之形變調變參考區 之電位。因為共振元件位於第一接觸區與第二共振元件之 間，且第三共振元件位於第二接觸區與第四共振元件之間 ，所以量測區之電位與參考區之電位的調變具有相反相位 ，而此導致較大之輸出信號。最好，致動器與第二致動器 實質上是相同的，且具備相同之致動電位差。在此種情形 之下，輸出信號增加二倍。 在此實例之一變型中，第三導電致動器存在，以用於彈 性變形第二共振元件，且第四導電致動器存在，以用於彈 性變形第四共振元件。第三致動器與第四致動器分別能夠 接收相對於第二共振元件之第三電氣致動電位差，與相對 於第四共振元件之第四電氣致動電位差。 在此實例中，輸出信號之振幅進一步受到增加。最好，致 動器，第二致動器，第三致動器與第四致動器彼此實質上是 相同的。最好，致動器與第二致動器具備實質上相同之致動 電位差，而第三致動器與第四致動器具備另一電氣致動電位 差，且該另一電氣致動電位差相同於該電氣致動電位差，但 相位相差9 0度。在此種情形之下，輸出信號再增加二倍。此 實例結合一相當高頻率與一相當大輸出信號。 其具有一額外優點：由於共振元件在運作期間之加熱所 -15 - 89521 造成之溫度波動會平均成為愛。 ,κ . 7 通吊’因為共振元件以機 械万式受到變形，所以其在谨 、運作期間會受到加熱。這可能 改交共振元件之電阻，且道钤 寸文幸則出信號之未受到控制之變 化 因為在此貫例中所有四业^ - ， 1 w/、振兀件皆以相同方式受到變 形’所以此加熱之效應受到補袴 又勾補j貝，且輸出信號之未受到控 制之變化受到降低。 在見例中，轉換器具備一正回授迴圈。在運作中，電 氣輸出信號接著鎖定於共振元件之特徵頻率。此轉換器可 做為-振i裝置，且該振i裝置能夠產生_具有共振元件 ,特徵頻率之電氣信號。轉換器之此實例適用於取代主體 耳波（BAW)產生器，例如石英或表面聲波（SAW)產生器。根 據本發明做為振i器之轉換器具有下列優點··其遠小於已 k = ^⑥’且其可整合至積體電路。其特別適合下列應 二·裝置《尺寸很小是很重要之應用，例如，行動電話與 月已表或振盈為必須整合至積體電路之應用，例如電視機 或收首機。 在另κ例中，共振元件包含第一共振元件與第二共振 件 /、中第一共振元件以機械方式經由一耦接元件耦接 土第一共振兀件。致動器能夠接收致動電位差以彈性變形 第/、振元件。由於機械ί馬接，第二共振元件在運作中也 又到彈f生夂形。第二共振元件是電路之一部份，且能夠產 生知出佗唬。輸出信號是第二共振元件之長度1之變化dl的 函數。第二共振元件構成一具有歐姆電阻R之電阻器，且電 阻R是第二共振元件之長度丨之變化dl的函數。輸出信號是電 89521 -16- 200416382 阻R之函數。 因為第一共振元件與第二共振元件是藉由耦接元件來辑 接’此轉換器具有一共振，且該共振具有二極點以導致更 廣範圍之共振。藉由_聯耦接許多共振元件並檢測最後一 共振元件之彈性形變，可獲得一相當廣範圍之共振。此種 轉換器適合做為帶通濾波器。 使用根據本發明之轉換器於一電子裝置是有利的，且該 包子裝置包含一運作於一時脈信號之信號處理器。轉換器 適用元&供時脈信號，且以此方式可取代用於提供時脈作 唬义現存裝置，例如BAW與SAW產生器，因而降低振盪器 之尺寸，並允許振盪器整合至一積體電路。此種電子裝置 可為’例如’行動或無線電話，行動電話之基地台，用於 接收私磁仏唬之接收器，其中電磁信號包含，例如，電視 L唬或射頻^號，與包含陰極射線管之顯示裝置，例如電 視機或顯#器。料該|電子裝置皆包含一運作於一時： 頻率之信號處理器。 【實施方式】 ^斤示之機電式轉換器1包含基質10，且基質1〇是石夕晶 \_卜基質10可為砷化鎵晶圓，或其可包含任何其他 半導體、，金屬或電介質材料。對於設計成為運作於超過10 Μ:之頻率之轉換器1 ’使用包含電介質，例如玻璃，之 基質10是有利W，因為這可降低消耗於基質之電磁能量之 損耗。 另外包含一導電共振元件20，且共振元件2〇沿一 89521 -17- 200416382 縱向延伸並具有長度卜共振元件20經由支撐元件2ι 者於基質丨0，丨中支撐元件21與22分別連接至固定元件Μ 與24。固定元件23與24附著於基質1()，如圖2c所示。丑振 元件2 0與支撐元件2丨與2 2未接觸基質丨〇，除了經由固^ 一 件2 3與2 4之連結以外。 70 轉換器可使用，例如，在微機電系統（mems)頜域為甲所 知之技術製造。簡言之，基質10首先具備一氧化物層^且 一石夕層12沉積於該氧化物層之上，如圖2A所示。石夕層^受 到一光敏光阻層之覆蓋，且該光阻層未受到展示並^由^ 例如，微影受到圖樣化。圖樣化之光阻接著受到顯影，以 產生如圖1所示受到光阻覆蓋之共振元件2〇，支撐元件以及 22,固定元件23及24,與致動器3〇之表面區，且該表面之 剩餘邵份則無光阻。部份受到光阻覆蓋之表面接著經歷蝕 刻，以選擇性移除未受到光阻覆蓋之矽層12之該等部份。 蝕刻之結果展示於圖2B。隨後，由於先前蝕刻受到暴露之 氧化物層11在第二蝕刻步驟中受到蝕刻。此蝕刻步驟移除氧 化物層11之所有暴露部份與，此外，鄰接該等部份之氧化物 之一部份。由於第二蝕刻步驟，圖2C之矽層12之中央部份 未接觸基質。他們形成共振元件2〇。在同一蝕刻步驟中， 支撐元件2 1與22以下之氧化物層丨丨也受到移除，以致共振元 件20只經由固定元件23與24附著於基質1〇。 共振元件2 0沿縱向具有二外端。該二外端之每一外端皆 面對導電致動器30之一對應電極。致動器30能夠接收一相 對於共振元件20之致動電位差VlN，以用於彈性變形共振元 89521 -18- 200416382 件20。致動電位差是施加於轉換器i之輸入信號之函數。除 了輸入信號以外，致動電位差可進一步包含，例如，一直 >瓦分里。彈性形變包含長度丨之變化μ，如圖1所示。 共振7L件20是一電路之一部份，且該電路能夠使得一電 流通過共振元件20。共振元件20經由輔助電阻器27，固定 元件24與支撐元件22來電氣連接至直流電壓源Vdc之正或 負極。共振元件20經由支撐元件21與固定元件23進一步連 接至接地。因此，共振元件2〇能夠導通電流丨。其構成一具 有歐姆電阻R之電阻器，且當共振元件2〇導通電流〗時，電 阻R會造成電壓降V。 共振π件20構成一具有歐姆電阻尺之電阻器，且電阻尺是 長度1之變化cH之函數，因為共振元件2〇包含具有開放空間 之中央部份19。·共振元件20包含相互平行之二桿，且每一 =分別連接至支撐元件21與22。該二桿經由元件2〇5在二外 响彼此相接。中央部份丨9在前述之微影步驟與蝕刻步驟中 已文到產生。纟阻止電流自支撐元件22沿—直線流至支撐 凡件21。該電流必須遵循共振元件2〇所形成之導電路徑。 此導電路徑沿縱向延伸。 η匕％路此夠產生一輸出信號，其中該輸出信號是長度1之 :^ dl之函數，且是電阻R之函數。為達成此目標，此電路 、 里玷2 8，且該量測點電氣連接至該電路。其位於 =電阻器27與固定元件24之間，且在運作中其纽一電 出仏唬，孩輸出信號是量測點28與參考點29之間之電 氣電位差vQUt，且參考點29連接至接地。 89521 -19- 200416382 在未受到展示之一替代宭彳士 Μ ^ 貝中，辅助電阻器27相同於共 ::::此輔助電阻器27,以類似於共振元件2。之方式 於㈣哭Γ〇疋件與ί撐元件附著於基質1〇。其藉由一類似 供之相對、人Γ致動备來提供—致動電位差。此致動器所提 仏之相對万；輔助電阻器27之共振元、" 相同於致動哭3〇所浐供、 、力電位差實質上 所楗供〈相對於共振元件20之致動電位声 ，但相位相差180度。在此實 工 U万；辅助電阻器27與固 疋件24炙間之量測點2 一 增加… 、“以’且該輸出信號 =未受到展示之替代實例中，辅助 Γ 定元件24之間，而是位於固定元㈣接地之 一 y炙下I測點28位於辅助電阻器27與固定 兀件23之間。· M ^ 在也未觉到展示之更一余 士、、 W哭97爲51… 貝、，中，直泥電壓源VDC與輔助電 阻口口 2 7 ^:到^田各。固定元 门、 凡件24連接至一電流源之正極，且 固疋7C件23連接至該電流 田 原乏負極。I測點28位於該電流 源4正極與固定元件24夕 CT .. 曰1，且 > 考點2 9位於固定元件2 3 與電流源之負極之間。在兮签〜k 在4寺貝例中，輸出信號也是長度1 之變化dl之函婁丈，且迚處 一 且此應可為熟悉本技藝領域者所瞭 共振元件20是由第一部 、 “ 、 M刀201與弟二邵份2〇2所構成，其 中弟一部伤沿縱向且有望 …一 ，、有弟—長度，且第二部份沿縱向具有 弟一長度。在圖1所示之音你丨士 心 <只例中，第一長度等於第二長度， 且等於0.5·：[。在未受到展 、 ' …一 又J展不又另一實例中，第一長度不同於 弟一長度。其可為，例如 0.25·1。在也未受到展示之更另 89521 -20- 200416382 一實例中，第二部份202受到省略。此彈性形變包含第一長 度之變化與第二長度之變化，其中第一長度之變化受到第 一彈力F!之抵制，而第二長度之變化受到第二彈力&之抵制 。因為致動器30包含二實質上相同之電極，所以每—電極 皆與共振元件20之一外端相隔實質上相同之間隙g，第一彈 力？〗與第二彈力&在無形變部份203實質上彼此抵消，且無 形變部份203位於共振元件20之中央。共振元件2〇經由支撐 區204之支撐元件21與22附著於基質10，且支撐區2〇4位於 與形變邵份203。以此方式機械能量之流動受到限制，且q 因數相當高T而此導致相當大之信號。 支、、撐區204具有第一共振器接點25〇與第二共振器接點 260其中第一共振斋接點2 6 0經由包含於共振元件2 〇之導 電路徑來電氣連·接至第一共振器接點25〇。此導電路徑具有 位於無形變部份203以外與位於元件205以内之一點P。共振 兀件20具有一沿縱向之外端，且點p位於該外端。 圖1所示之共振元件20包含具有第一電導率之第一材料 與具有第二電導率之第二材料，纟中第_材料構成導電路 後:且弟二電導率小於第一電導率。在此實例中，第-材 :疋f ’ i第二材料包含-電介質材料，而該電介質材料 1可包含具有晶格指向[11()]，⑴狀[⑽]之多晶 此外，轉換器1可受到封 y 裝以致罘二材料包含一低壓氣體 ’邊低壓氣體具有低於1帕 ()《乳廢，而此具有下列優點： 中央邵份1 9實質上去為糾"， 未又到任何污染，而任何污染皆可能導 89521 -21 - 200416382 致不想要之電氣短路。在下文所述之另一實例中，第二材 料包含一電介質，且該電介質是固體。由於中央部份1 9， 自第二共振器接點250至第二共振器接點260之未包含點p 之每一路徑皆包含第二材料。 對於具有長度1 = 360微米，寬度b = 8微米，如圖1所示之厚 度t-2 · 67微米與高度h= 1 0微米之共振元件2〇，桿之特徵頻率 是大約12 MHz。藉由輸入信號來正規化之輸出信號，亦即 根據本發明圖3所示之轉換器1之互導較也展示於圖3之已 知轉換器之互導大超過100倍。該二互導皆適用於一具有間 隙g =1微米輿100 V之致動電位差之直流分量的轉換器。 在圖4所示之轉換器1之實例中，共振元件2〇a包含於一惠 斯登類型電路，且共振元件20a相同於圖！之共振元件2〇。此 惠斯么類型電路包含第一接觸區2 5與第二接觸區2 6。第一 接觸區25經由第一連結與經由第二連結來電氣連接至第二 接觸區26，其中第二連結是配置成為平行於第一連結。 第一連結包含支撐元件21a及22a與串聯於第二電阻器之 ^振元件20a，且第二電阻器是由第二共振元件2价所構成。 第二連結包含串聯之第三電阻器與第四電阻器，其中第三 電阻器是由第三共振元件20c所構成，而第四電阻器是由i 四共振元件20d所構成。 共振元件20a，20b，20c與20d經由固定元件27&及與對 應之支撐元件 21a，21b，21c，及 21d，與 22a，22b，22c , 22d來附著於基質1〇。 共振元件20a與第二共振元件20b是藉由第一電氣連接器 89521 -22- 200416382 與固疋7L件27a來連接，其中第一電氣連接器是由支撐元件 2 la與2 lb所形成。第一電氣連接器包含量測點28。第三共振 元件20c與第四共振元件20d是藉由第二電氣連接器與固定 7C件27b來連接，其中第二電氣連接器是由支撐元件2ic與 22d所形成。第二電氣連接器包含參考點巧。第二共振元件 20b，第三共振元件2〇c與第四共振元件2〇d實質上皆相同於 ，、振元件20a。理想上，支撐元件21a，21b，：卜與214實質 上是相同的，且支撐元件22a，22b，22〇與22〇[實質上也是相 同的。 - =振兀件20a位於第一接觸區25與第二共振元件2〇b之間 、。第三，振元件20c位於第二接觸區26與第四共振元件Md 之間。實質上相同於致動器3〇a之第二導電致動器*存在， 以用於彈性變形.第三共振元件W。致動器術與3Ge能夠接 收相對於共振元件心與…實質上相同之致動電位差^用 於分別彈性變形共振元件2〇&與2〇c。 轉換咨1進一步舍各裳-道+ ^ 已口罘二導黾致動器3Ob，以用於彈性變 形第二共振元件2 Ω h ·沾？ @ ^ ，铃弟四導電致動器30d，以用於彈性變 形第四共振元件2〇d。筮-不 弟二致動器30b及致動器30a，與第四 致動咨3 0 d及第二致命τ % q λ —文動3〇c疋藉由連接器31來連 並 接器31是設計成為對 丄、、 ^ Τ ^ ，、>、、 战為對於一父泥信號造成大約90度之延遲， 且该父流信號具玄音哲 l二 、百，、貝上相同於共振元件20a之特徵頻率之 頻率。 … 在未受到展示之另一舍仓 貝例中，第三致動器3〇b與第 器30d受到省略。力a 土心 ^ ^ 未文到展示之另一實例中，第二致動 89521 -23- 200416382 备3 0c也受到省略。在後一實例之變型中，共振元件2〇b，2〇c 與20dx到歐姆電阻器之取代，且每一電阻器最好具有實質 上相同於共振元件20a之歐姆電阻R之電阻。 在圖5A與5B所示之另一實例中，共振元件2〇經由支撐元 件2 1與22沿垂直於基質丨〇之主表面之方向來附著於基質 1 〇。在該等貫例中，共振元件2 〇之中央部份丨9充滿一電介 質’例如氧化矽或氮化矽。對於具有微米或更小尺寸之相 當小中央邰份1 9 ’通常很難藉由蝕刻來產生開放空間丨9， 且未田下钱刻劑之殘餘或，或當移除餘刻劑時，未在形成 共振元件20之二平行桿之間產生一接點。藉由如下所述在 製造過程中利用一電介質來充填中央部份19，可避免該等 困難。 在圖5A所π之實例中，共振元件2〇具有圓形形狀，半徑 為r ’且文到致動咨3 0之徑向包圍，其中該致動器構成環狀 間隙g。致動器30能夠接收一相對於共振元件2〇之電氣致動 電位差，以用於沿徑向彈性變形共振元件2〇，亦即以輪廓 模式。應注意的是··此種共振元件2〇也沿一縱向延伸並具有 長度1，此縱向可為任何徑向，且此方向之長度丨相同於半徑 ”彈性形變包含長度之變化⑴，且⑴相同於半徑之變化心 。此種共振元件特別適合相當高之頻率，例如高於i〇 MHz 或甚至高於150 MHz。此共振元件具有相當高之Q因數，且 該Q因數可高於7000或甚至更高。 共振元件20包含相互平行之圓板⑻與且該二板之外 端是藉由環狀元件205來彼此電氣相連。一圓形電介質區受 89521 -24- 200416382 到圓形元件18a及i8b，與環狀元件2〇5之封裝，且該電介質 區構成共振元件20之中央部份丨9。上圓板丨8a與下圓板丨8b 为別經由支祛元件21與22電氣連接至導體17a與17b。以此方 式共振元件20構成一具有電阻尺之歐姆電阻器，其中電阻r 疋對應於長度1 + dl之實際半徑r+cjr之函數。 在圖5B所示之一替代實例中，共振元件2〇是徑向。該共 振元件包έ矩形之相互平行板1 8 c與丨8 d，其中該二板沿縱向 之外端是藉由矩形元件205a來連接。矩形板丨8c與丨8d之部份 是由包3氮化矽之中央邵份19來分隔，且該二部份未接觸 矩开y元件205a。相對於圖5A所示之實例，中央部份Η在這 裡未受到完全封裝。類似於圖5A所示之實例，轉換器1進一 步包含導體17a及17b與支撐元件21及22以用於接觸共振元 件20來構成一電·阻器。其進一步包含致動器％，且致動器 3 0類似於圖1所示之致動器。 圖5Am 5B所示之轉換器}可藉由下列方式來製造。根據圖 八人58之\^1-\^1之轉換器1在圖6八_61^之製造過程之各個階 段受到展示。基質10首先受到電介質層u之覆蓋，且該電介 貝層可包3，例如，氮化矽。導體17b是藉由沉積一多晶矽 層來形成於電介質層11之上，且該多晶矽層是藉由微影與蝕 刻來圖樣化。該等步驟之結果展示於圖6A。

Ik後例如，由二氧化矽組成之另一電介質層i 〇2受到沉 積蝴且該層之一開孔1〇3a，如圖6B所示，受到產生以暴露 17b之—部份。接著，一多晶矽薄膜ι〇4受到沉積以覆 盍私介貝層102，因而充填開孔1〇3a及產生支撐元件21。一 89521 -25- 200416382 額外電介質層沉積於薄膜104之上，且該電介質層之中央部 份19，如圖6C所示，是使用，例如，微影與蚀刻來形成。 另一多晶矽層薄膜106沉積於此結構之上，如圖6d所示。 在下一步驟中，共振元件2〇與致動器3〇是藉由下列方式 利用二層104及106與中央部份19來形成：蝕除共振元件二 與致動器3G以外之所有區域之多日日日碎，因而定義間隙如 圖6E所示。另—電介質層⑽沉積於此結構之上，其中該電 介質層是由二氧化矽組成，且一位於該電介質層之：： l〇3b，如圖6F所示，受到形成以暴露層1〇6之—部份，其中 該部份是共才辰元件20之一部份。接著，一包含，例如銘， 鎢’銅或多晶碎之導電薄膜受到沉積以覆蓋電介質層刚， 因而充填開孔1〇3b及產生支撐元件22。接著利用此曰金屬薄 膜藉由微影與蝕.刻來形成導體17a，如圖6(}所示。最後，電 介質層1G2與1G7之大部份受義除，以分別產生圖5八與= 所不心轉換器丨。當製造如圖5B所示之轉換器1時，其中轉 ::1具有利用一電介質材料來充填之中央部份1 9，則此電 介質材料必須不同於電介質層1〇2與1〇7之電介質材料，且 此後一層可相對於中央部份〗9之電介質材料受到選擇性蝕 刻°由於此原目’中央部份19是由氮化石夕所組成，而二層 102與107是由二氧化矽所组成》 以不意方式展示於圖7之轉換器i包含放大器4〇 ,其中放 大器4〇具有輸入終端41，且輸入終端41電氣連#至-根據 本，明〈轉換器之量測點28。放大器40能夠放大量測點28 ’、之屯氣彳s號之交流分量’及提供放大之信號至致動 89521 -26- 器3〇。放大器40具備—相 偏移放大夕f α π 丑忑稍仫侷私态能夠 元件二：！Γ:相位’以致致動器-之放大信號與共振 借—:艾具有相同相位。在此實例中，轉換器丨因此具 回抆迴圈。在運作中’電氣輸出信號因此錨定於丘 振兀件20之特柃相、參 /、心万、/、 "a率。此轉換器1可做為一振盪裝置，且该 振盪裝置能夠產生— " 號 生 具有共振兀件20之特徵頻率之電氣信 圖7所示之轉換器η用於提供一電氣信號，且該電氣信 U相同於共振元件2G之特徵頻率之-預先決定頻率。 卜圖1或圖5A或圖5B所示之轉換器i可受到使用，其中 致動器30具備—來自一電壓源之致動電位差，且該致動電 ^差此夠產生一具有可調整之頻率之信號VIN，其中此頻率 疋經由連接至量·測點28之回授電路來調整。 、=不思万式展示於圖8之轉換器1包含第一共振元件2〇e 與第一二共振元件2〇f。共振元件2〇e與2〇f皆實質上相同於圖 1所^示之共振元件2〇，且以相同於共振元件2〇之方式附著於 基質10。第一共振元件2〇e與第二共振元件2〇f是藉由耦接元 件1 6以機械方式受到耦接，其中耦接元件1 $附著於該二共 振兀件且未接觸基質1〇。致動器3〇受到配置以致其能夠造 成第一共振元件20e之彈性形變。當第一共振元件2〇e由致動 态3 0導致共振時，因為耦接元件丨6，所以第一共振元件 迻成第二共振元件20f之共振運動。第二共振元件20f之共振 運動可使用前述之電阻式檢測法來檢測。為達成此目標， 第一共振元件2 0 e是圖8所示之電路之一部份，且該電路能夠 89521 -27- 200416382 產生輸出信號。該輸出信號是第二共振元件2〇f之長度丨，之變 化dl的函數。第二共振元件2〇f構成一具有歐姆電阻r，之電 阻器，且電阻是第二共振元件2〇f之長度i，之變㈣，的函數 ’類：於圖1所示之轉換器。該輸出信號是電阻R,之函數。 因為罘一共振凡件2〇e與第二共振元件是藉由耦接元件 16來耦接，所轉換器丨具有較寬廣範圍之共振，且該共振 具：相當陡峭之邊緣。藉由串聯耦接許多共振元件及檢 測最後-共振元件之彈性形.變’可獲得相當寬廣範圍之共 振：此種轉換器適合做為濾波器。當轉換器具備一電氣輸 入信號VIN以做為致動電位差時，只有對於具有屬於轉換器】 之共振範圍之頻率的該等輸入信號分量，轉換器才會在量 測點28產生一可檢出之電氣輸出信號。為了提供電氣輸出 信號，類似於圖_丨所示之轉換器丨，轉換含一辅助電阻 器27。 ，所示之電子裝置50包含—信號處理器51，且該信號處 m運作杰時脈仏號。該時脈信號是由轉換器1所提供， 如圖1所示。 摘要吕之，轉換器1包含一導電共振元件2〇，且該共振元 件沿一縱向延伸並具有長度1。其可藉由一導電致動器30受 到彈性變形，以致彈性形變包含長度之變化⑴。共振元件Μ 電氣連接至第一接觸區25與第二接觸區26，因而構成一電 路。在此％路中共振元件2〇構成一具有歐姆電阻尺之電阻器 ，且電阻R是長度l+dl之函數。轉換器丨進一步包含一量測點 28 ’且該量測點電氣連接至該電路以用於提供一電氣信號 89521 -28- 416382 其中該電氣信號是電阻R之函數。 應注意的是：前所提及之該等實例展示，而非限制，本發 明、且熟悉本技藝領域者應能夠，在不脫離附加之申請專 利範圍之範疇之下，設計許多替代實例。在該等申請專利 1巳圍中，置放在括號之間之任何參考號碼不應視為限制該 申凊專利範圍。"c〇mprise”這個動詞與其之變型並未排除除 了列在一申請專利範圍之該等元件或步驟以外之其他元件 或步驟之存在。在一元件之前之，，a”與”an”並未排除多個此 種元件之存在。 【圖式簡單說明】 根據本發明之轉換器之該等與其他方面將參照附圖來進 一步闡釋與說明於下文，其中： 圖1是轉换器乏一實例之頂視圖； 圖2A-2C是轉換器沿圖在製造過程之各個階段之 橫截面圖； 圖3是根據本發明之轉換器之互導與已知轉換器之互導 的圖形； 圖4是轉換器之另一實例之頂視圖； 圖5A與5B是轉換器之二其他實例之頂視圖； 圖6A-6H是轉換器沿圖5八與5]6之νΙ-νι在製造過程之各 個階段之橫截面圖； 圖7是轉換态之更一實例之示意圖； 圖8是轉換器之另一實例之示意圖；且 圖9是一電子裝置之示意圖。 -29- 89521 200416382 該等圖形未依照實際比例來繪製。通常，相同之組件是 以相同之參考號碼來表示。 【圖式代表符號說明】 1 轉換器 10 基質 11 氧化物層 12 矽層 16 耦接元件 17a，17b- 導體 18a 上圓板 18b 下圓板 1 8c，1 8d 矩形板 19 中央部份 20，20a，20b，共振元件 20c, 20d 20e 第一共振元件 20f 第二共振元件 21，22, 21a， 支撐元件

21b，21c，21d， 22a，22b，22c， 22d 23, 24, 27a，固定元件 27b 25 第一接觸區 89521 -30- 200416382 26 弟二接觸區 27 輔助電阻器 28 量測點 29 參考點 30, 30a，30b， 致動器 30c，30d 31 連接器 40 放大器 41 - 輸入終端 50 一 電子裝置 51 信號處理器 102 電介質層 104 多晶矽薄膜 106 多晶矽層薄膜 201 第一部份 202 第二部份 203 無形變部份 204 支撐區 205 環狀元件 205a 矩形元件 250 第一共振器接點 260 第二共振器接點 89521 -31 -

Claims (1)

1. 200416382 拾、申請專利範圍： 1 · 一種機電式轉換器（1 )，以用於轉換一電氣輸入信號成為 一電氣輸出信號，該轉換器包含： -一基質（10); -一導電共振元件（20)，其中共振元件（20)附著於基質 (10)，且共振元件（20)沿一縱向延伸並具有長度（1); -一導電致動器（30)，致動器（30)能夠接收一相對於共 振元件之電氣致動電位差，以用於造成共振元件（20)之 彈性形遽，該致動電位差是輸入信號之函數，該彈性形 變包含長度⑴之變化（dl)，共振元件（20)包含一電阻器， 該電阻器具有一歐姆電阻，該電阻是長度（1)之變化（dl) 之函數，且輸出信號是該電阻之函數。 2. 如申請專利範圍第1項之轉換器（1)，其中共振元件（20) 包含第一部份（201)與第二部份（202)，第一部份（201)沿 縱向具有第一長度，第二部份（202)沿縱向具有第二長度 ，彈性形變包含第一長度之變化與第二長度之變化，第 一長度之變化受到第一彈力（F!)之抵制，且第二長度之 變化受到第二彈力（F2)之抵制，第一彈力（F!)與第二彈力 (F2)在共振元件（20)之無形變部份（203)中實質上彼此抵 消（FfF^O)，共振元件（20)在一包含於無形變部份（203) 之支撐區（204)中附著於基質（10)。 3. 如申請專利範圍第2項之轉換器（1)，其中支撐區（204)包 含第一共振器接點（250)與第二共振器接點（260)，第二 共振器接點（260)經由包含於共振元件（20)之一導電路 200416382 徑電氣連接至第一共振器接點（250)，且此導電路徑具有 位於無形變部份（203)以外之一點（P)。 4. 如申請專利範圍第3項之轉換器（1)，其中共振元件（20) 具有一沿縱向之外端，且點（P)位於該外端。 5. 如申請專利範圍第3項之轉換器（1)，其中共振元件（20) 包含具第一電導率之第一材料與具有第二電導率之第 二材料，其中第一材料構成導電路徑，第二電導率小於 第一電導率，且自第一共振器接點（25 0)至第二共振器接 點（260>之未通過點（P)之每一路徑皆包含第二材料。 6. 如申請專利範圍第5項之轉換器（1)，其中第二材料包含 一電介質材料。 7. 如申請專利範圍第1項之轉換器（1)，其中共振元件（20, 20a)包含於一惠斯登（Wheatstone)類型電路，此惠斯登類 型電路包含第一接觸區（25)與第二接觸區（26)，第一接 觸區（25)經由第一連結與第二連結來電氣連接至第二接 觸區（26)，其中第二連結是配置成為平行於第一連結， 第一連結包含串聯於第二共振元件（20b)之共振元件 (20, 20a)，第二連結包含串聯於第四共振元件（20d)之第 三共振元件（20c)，共振元件（20a)與第二共振元件（20b) 是藉由第一電氣連結器來連接，第一電氣連接器包含一 量測點（28)，第三共振元件（20c)與第四共振元件（20d) 是藉由第二電氣連接器來連接，第二電氣連接器包含一 參考點（29)，輸出信號包含量測點與參考點之間之一電 氣電位差，且第二共振元件（20b)，第三共振元件（20c) 200416382 W弟四共振元件（2 Q d )皆實質卜j 貝貝上相冋於共振元件（20a)。 8·如叫專利範圍第7項之轉換器（1卜其中： -共振元件（2叫位^第_接觸區㈣與第二共振元件 (20b)之間； -弟二共振元件（2〇c)位於筮— ^万；罘一接觸區（26)與第四共振 元件（20d)之間；且 -第二導電致動器（3()e)存在，以用於彈性變形第三共振 元件（20c)。

   9 ·如申凊專利範圍第8項之轉換器（1 )，其中： 第一導黾致動态（3 Ob)存在，以用於彈性變形第二共振 元件（20b)，且 第四導私致動斋（30d)存在，以用於彈性變形第四共振 元件（20d)。- 1 0 ·如申凊專利範圍第1項之轉換器（1),其中：

   -共振元件（20)包含第一共振元件（2〇e)與第二共振元件 (20〇,第一共振元件（2〇e)與第二共振元件（2〇f)是藉由耦 接元件（1 6)以機械方式來搞接； -致動备（3 0)能夠造成第一共振元件（2 〇 e)之彈性形變； 且 -第二共振元件（2〇f)構成一電阻器，該電阻器具有一歐 姆電阻，該電阻是第二共振元件（20f)之長度〇，）之變化 (dl，）的函數，且輸出信號是第二共振元件之電阻之函數。 11. 一種電子裝置（5 0)，包含： -一信號處理器（5 1 )，以運作於一時脈頻率；及 89521 200416382 -一如申請專利範圍第1項之轉換器（l)，以用於提供該 時脈信號。 89521